Метод Киропулоса или метод Киропулоса - это метод объемного роста кристаллов, используемый для получения монокристаллов . Он назван в честь Спайро Киропулоса , который предложил эту технику в 1926 году как метод выращивания хрупких кристаллов галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов для прецизионной оптики. [1] [2]
Наибольшее применением метода Киропулуса является выращивание большого буля из монокристаллического сапфира , используемого для производства подложек для производства нитрида галлия основанного светодиодов , а в качестве прочного оптического материала. [3]
История
Этот метод (часто называемый методом KY) был предложен в 1926 году как продолжение методов Чохральского и Вернейля из-за их основных размерных ограничений выращенных кристаллов. [4] Первоначально он был использован для выращивания монокристаллов из галогенидов щелочных металлов . [5] Процесс прямой кристаллизации расплавленного материала отличается тем, что температура були снижается, пока она еще находится в тигле. По сравнению с другими, этот метод позволял получать очень большие монокристаллы, не имевшие трещин и повреждений из-за ограниченного содержания. [4]
Заявление
В настоящее время он используется несколькими компаниями по всему миру для производства сапфира для электронной и оптической промышленности. [6]
Метод
Оксид алюминия высокой чистоты (всего несколько частей на миллион примесей) плавится в тигле при температуре выше 2100 ° C. Обычно тигель изготавливается из вольфрама или молибдена . Точно ориентированный затравочный кристалл погружают в расплавленный оксид алюминия. Затравочный кристалл медленно тянется вверх и может вращаться одновременно. Путем точного управления температурными градиентами, скоростью вытягивания и скоростью снижения температуры можно получить из расплава большой монокристаллический слиток примерно цилиндрической формы. В отличие от метода Чохральского, метод Киропулоса кристаллизует весь объем сырья в були. Размер и соотношение сторон тигля близки к таковому у конечного кристалла, и кристалл растет вниз в тигель, а не поднимается вверх и выходит из тигля, как в методе Чохральского. Вытягивание затравки вверх происходит гораздо медленнее, чем рост кристалла вниз, и служит в первую очередь для формирования мениска границы раздела твердое тело-жидкость за счет поверхностного натяжения . Скорость роста контролируется путем медленного снижения температуры печи до тех пор, пока весь расплав не затвердеет. Подвешивание затравки на датчик веса может обеспечить обратную связь для определения скорости роста, хотя точные измерения осложняются изменяющейся и несовершенной формой диаметра кристалла, неизвестной выпуклой формой границы раздела твердое тело-жидкость и взаимодействием этих характеристик с плавучими силы и конвекция в расплаве. [7] Метод Киропулоса характеризуется меньшими градиентами температуры на фронте кристаллизации, чем метод Чохральского. Подобно методу Чохральского, кристалл растет без каких-либо внешних механических формообразующих сил и, следовательно, имеет мало дефектов решетки и низкое внутреннее напряжение . [3] Этот процесс можно проводить в инертной атмосфере, такой как аргон , или в высоком вакууме .
Преимущества
К основным преимуществам можно отнести техническую простоту процесса и возможность выращивать кристаллы больших размеров (≥30 см). [5] [8] Метод также показывает низкую плотность дислокаций. [9]
Размеры кристаллов
Размеры кристаллов сапфира, выращенных методом Киропулоса, резко увеличились с 1980-х годов. В середине 2000-х годов были разработаны кристаллы сапфира массой до 30 кг, из которых можно было получить подложки диаметром 150 мм. К 2017 году самый крупный зарегистрированный сапфир, выращенный методом Киропулоса, весил 350 кг и позволял производить подложки диаметром 300 мм. [10] Из-за анизотропной кристаллической структуры сапфира ориентация цилиндрической оси булей, выращенных методом Киропулоса, перпендикулярна ориентации, необходимой для осаждения GaN на светодиодные подложки. [ необходима цитата ] Это означает, что сердечники должны быть просверлены через стороны були, прежде чем нарезаться на пластины . Это означает, что выращенные бульоны имеют значительно больший диаметр, чем полученные пластины. По состоянию на 2017 год ведущие производители синих и белых светодиодов используют сапфировые подложки диаметром 150 мм, а некоторые производители по-прежнему используют подложки 100 мм и 2 дюйма.
Недостатки
Наиболее существенным недостатком метода является нестабильная скорость роста, которая возникает из-за изменений теплообмена, вызванных увеличением размера були, и которые трудно предсказать. Из-за этой проблемы кристаллы обычно выращивают с очень низкой скоростью, чтобы избежать ненужных внутренних дефектов. [5] [8]
Смотрите также
- Метод Бриджмена – Стокбаргера
- Монокристаллический кремний
- Кремний с плавающей зоной
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- Микро-вытягивание вниз
Рекомендации
- ^ «Эволюция и применение метода выращивания кристаллов Киропулоса», Дэвид Ф. Блисс, в «50 лет прогресса в выращивании кристаллов: сборник репринтов», под ред. Роберт Фейгельсон, Elsevier, 2005 ISBN 0080489931
- ^ Киропулос, С. (1926). "Ein Verfahren zur Herstellung großer Kristalle". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (на немецком языке). 154 : 308–313. DOI : 10.1002 / zaac.19261540129 .
- ^ a b Добровинская, Елена Р., Леонид А. Литвинов и Валериан Пищик. Сапфир: материал, изготовление, применение. Springer Science & Business Media, 2009. ISBN 0387856943
- ^ а б «Рост» . явно сапфир . Проверено 29 апреля 2019 .
- ^ а б в "МЕТОД КИРОПУЛОСА" [Метод Киропулоса]. mathscinet.ru . Проверено 29 апреля 2019 .
- ^ «Статус сапфировой промышленности». Эрик Вирей. Yole-CIOE Sapphire Forum, Шэньчжэнь, 31 августа 2015 г. Yole Development. п. 32.
- ^ Винклер, Ян; Нойберт, Майкл (2015). «Автоматизация выращивания кристаллов из расплава». В Рудольф, Питер (ред.). Справочник по выращиванию кристаллов (2-е изд.). Elsevier BV, стр. 1176–1178. DOI : 10.1016 / B978-0-444-63303-3.00028-6 . ISBN 9780444633033.
- ^ а б Синтез регуляторов простых структур для управления процессами кристаллизации (PDF) . Харьков, Украина: Вісник национального технического университета "ХПІ" №15 (1058). 2014. С. 3–11.
- ^ Даффар, Тьерри; Сен, Гурав; Стелиан, Кармен; Баручель, Хосе; Тран Калисте, Тху Нхи; Барталай, Николас. Презентация по выращиванию кристаллов Киропулоса (PDF) (pdf). Франция: Технологический институт Гренобля . п. 4.
- ^ «Монокристалл представил первое в мире сапфировое стекло KY массой 350 кг» (PDF) . Монокристалл . Проверено 16 января 2018 .
Внешние ссылки
- Краткие сведения о методике выращивания кристаллов